香港大学合作最新Nature

光子集成电路广泛应用于电信和数据中心互连等应用。然而，在诸如微波合成器、光学陀螺仪和原子钟等光学系统中，尽管光子集成电路在尺寸、重量、功耗和成本上都有优势，但仍被认为是较差的解决方案。

2023年8月2日，香港大学向超及加州大学圣巴巴拉分校John E. Bowers共同通讯在Nature 在线发表题为“3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics”的研究论文，该研究通过利用三维集成来挑战这种惯例，从而产生具有硅光子学无隔离器操作的超低噪声激光器。

通过多个单片和异构处理序列，证明了III-V增益中、超低损耗氮化硅波导的直接片上集成，光损耗约为0.5分贝/米。因此，由于超高质量的因子腔，所演示的光子集成电路进入了一种不需要光隔离器而产生超低噪声激光器和微波合成器的状态。这种光子集成电路还为复杂功能和批量生产提供了优越的可扩展性，并随着时间的推移提高了稳定性和可靠性。因此，超低损耗光子集成电路的三维集成标志着向硅基复杂系统和网络迈出了关键的一步。

继电子集成电路(EICs)之后，硅(Si)光子学有望使光子集成电路(PICs)具有高密度、高级功能和便携性。尽管各种硅光子学代工厂正在迅速发展PIC能力-实现调制器，光电探测器和最近的激光器的批量生产，但硅PICs尚未达到微波振荡器，原子物理和精密计量等许多应用对激光噪声和整体系统稳定性的严格要求。半导体激光器必须强烈抑制被放大的自发发射噪声，才能在这些应用中实现窄线宽。它们还需要与光学系统的其余部分隔离，否则激光源将对下游光学元件的背反射敏感，这超出了PIC设计人员的控制范围。在许多集成光子解决方案中，必须在激光芯片和系统的其余部分之间插入大块光学隔离器，这大大增加了复杂性，以及组装和封装的成本。

为了丰富Si PICs的功能并避免多芯片光学封装，非IV族材料需要异构集成以实现关键器件，包括高性能激光器，放大器和隔离器。现在已经广泛认识到，无论集成架构如何，都需要III-V组材料为硅光子学中的半导体激光器和放大器提供有效的光学增益，但仍然存在对互补金属氧化物半导体(CMOS)晶圆厂的关注，以纳入磁性材料，目前用于工业标准的光学隔离器。

幸运的是，存在一条通往超低激光噪声和低反馈灵敏度的协同路径—在激光器中使用超高质量因子(Q)腔，不仅可以降低相位噪声，还可以增强对下游链路的反馈容忍度。这些效应与腔Q和超高Q腔成比例，从而赋予集成激光器前所未有的相干性和稳定性。其意义是双重的。首先，在Si PIC上直接集成超低噪声激光器，而无需光隔离器，简化了PIC的制造和封装。此外，这种方法不会将磁性材料引入CMOS晶圆厂，因为隔离器不是这种完整PICs的强制性要求。

三维集成硅PIC芯片（图源自Nature ）

该研究的激光和超低损耗波导的三维集成利用了垂直间隔光子功能层的倏逝耦合的优势。这种架构为复杂的片上光子系统提供了一个设计空间，而不受平面内工艺不兼容和性能下降的限制。如今，许多基于光纤或单独芯片集成激光器的光学设备和系统可以使用作者演示的3D激光集成ULL技术转换到硅芯片上，包括布里渊激光器、掺铒放大器、光学陀螺仪和光学频率合成器。此外，3D集成可以打破不同波导平台之间器件占地面积和密度的不匹配，并利用垂直空间提高器件的可扩展性。该平台还可以用于具有严格模式约束的厚SiN波导层，用于需要异常色散和高Q腔的非线性应用。

将反馈不敏感的超低噪声激光器添加到硅光子学中，将扩大硅光子学代工厂的批量生产，使其应用范围保持在小规模。由于3D集成在不影响性能的情况下为多个功能层提供了有效的解决方案，因此可以按照一定的制造工艺指南将更多的材料和功能添加到现有的集成平台中。这些材料包括铌酸锂、碳化硅、氮化铝、III-V量子点材料等。该研究为这种探索提供了动力，并为集成光子学提供了新的构建模块。此外，与电子器件的3D异构集成可以统一3D EICs的开发，以实现3D E-PIC生态系统，并为新型硅芯片奠定基础。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06251-w

转自：“iNature”微信公众号

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